碳纖維復(fù)合材料在純電動汽車車身中的應(yīng)用分析

　　在純電動汽車方面，目前制約其發(fā)展的瓶頸仍然是動力電池技術(shù)，增程式電動汽車只是解決這一問題的一種應(yīng)急辦法。在動力電池技術(shù)沒有重大突破之前，需要探索更多的解決辦法。本文將探討使電動汽車車身輕量化，將減少的重量用于增加蓄電池數(shù)量來增加續(xù)駛里程的可行性。

　　1、碳纖維復(fù)合材料特性

　　汽車車身的輕量化主要從車身結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的選擇與替代兩個方面著手。目前車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，對增加純電動汽車續(xù)駛里程而言，車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間很小。在材料輕量化方面，目前仍以高強度鋼、鎂、鋁和塑料作為主要汽車材料組合，其中尤其以碳纖維最為出色，其優(yōu)越性幾乎可以完全替代鋼材料。碳纖維復(fù)合材料是以各種樹脂、碳、金屬、陶瓷為基體材料的塑料，其根據(jù)基體材料可分為樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料(CMC)和金屬基復(fù)合材料(MMC)。其中以樹脂和金屬為基體的復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用較為成熟，具有應(yīng)用于車身制造的諸多優(yōu)勢。

　　(1)具有較高的強度。碳纖維復(fù)合材料具有目前常用材料中最高的比模量和比強度，見表1。用其制成與高強度鋼具有同等強度和剛度的構(gòu)件時，重量可減輕70%左右。

　　(2)具有良好的抗疲勞性。碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能極佳。由于在疲勞載荷作用下的斷裂是材料內(nèi)部裂紋擴展的結(jié)果，碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與基體間的界面能有效阻止疲勞裂紋擴展，而外加載荷由增強纖維承擔(dān)，因而疲勞強度極限比金屬材料和其他非金屬材料高很多。圖1是3種材料疲勞強度的比較。

　　(3)碰撞吸能性好。碳纖維復(fù)合材料是汽車金屬材料最理想的替代材料，在碰撞中對能量的吸收率是鋁和鋼的4～5倍，減輕車身質(zhì)量的同時還能保證不損失強度或剛度，保持防撞性能，極大地降低了輕量化帶來的汽車安全系數(shù)降低的風(fēng)險。圖2是碳纖維復(fù)合材料和其他材料碰撞中對能量吸收率的對比。

　　(4)制造工藝性好。碳纖維復(fù)合材料的工藝性和可設(shè)計性好，通過調(diào)整CFRP材料的形狀、排布、含量，可滿足構(gòu)件的強度、剛度等性能要求，能用模具制造的構(gòu)件可一次成型，減少緊固件和接頭數(shù)目，可以大大提高材料利用率。

　　2、車身輕量化對續(xù)駛里程的影響

　　目前汽車車身重量的3/4是鋼材，輕量化空間很大。英國材料系統(tǒng)實驗室(MSL)曾就各種材料對車身輕量化效果及其生產(chǎn)成本進行過研究，結(jié)果表明，碳纖維增強復(fù)合材料車身質(zhì)量僅172kg，而鋼制車身為367.9kg，碳纖維增強復(fù)合材料輕量化效果達53%以上。碳纖維復(fù)合材料和其他材料車身質(zhì)量對比如圖3

　　由于純電動汽車受安裝的動力電池的容量限制，其一次充電后的續(xù)駛里程過短，成為影響純電動汽車推廣使用的一個重要因素。如果用碳纖維復(fù)合材料來制造車身，將車身減輕的質(zhì)量用于增加電池數(shù)量，在保持整車質(zhì)量不變的情況下，可以大大提高續(xù)駛里程。當(dāng)蓄電池組總能量為EB時，純電動汽車在勻速行駛時的續(xù)駛里程S為

　　式中，ηT為傳動系統(tǒng)機械效率；ηmc為電機及控制器效率；ηDOD為蓄電池的放電深度(實際使用中，為了保護電池防止其完全放電受損，保證電池的壽命，一般要求ηDOD≤75%)；ηq為蓄電池的平均放電效率；F為勻速行駛的行駛阻力。由式(1)可以看出，在保證整車質(zhì)量不變的情況下，汽車勻速行駛的行駛阻力也不變，續(xù)駛里程與車載電池能量成正比。下面以長安奔奔Love純電動汽車為例予以說明。該車整備質(zhì)量1310kg，額定容量60Ah，工作電壓320V，續(xù)駛里程(勻速30km/h)105km。車身質(zhì)量按30%計算，約450kg，以增加的電池質(zhì)量來替代碳纖維復(fù)合材料減輕的車身質(zhì)量，可以計算出用CFRP輕量化后電動汽車增加的續(xù)駛里程以及最終的續(xù)駛里程，如圖4所示。

　　由此可見，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可以極大地實現(xiàn)電動汽車輕量化來平衡電池組的重量，增加純電動汽車的續(xù)駛里程。當(dāng)然，蓄電池組的安裝需要合適的空間，在不減小乘用空間的基礎(chǔ)上，合理控制碳纖維復(fù)合材料輕量化程度，可增加蓄電池組容量，既保證一定的續(xù)駛里程，同時也避免過分CFRP化帶來的的高成本問題。

　　3、碳纖維復(fù)合材料車身大規(guī)模應(yīng)用的前景

　　制約碳纖維復(fù)合材料大范圍應(yīng)用的主要因素在于它的生產(chǎn)和加工技術(shù)還不夠成熟，應(yīng)用和研發(fā)成本較高，相關(guān)部門缺乏一定的長遠發(fā)展規(guī)劃。以上世紀90年代的鎂合金為例，由于其價格和技術(shù)瓶頸因素在當(dāng)時僅作為一種潛在的汽車用材料，而如今大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用使得鎂合金供大于求的情況出現(xiàn)之時，我國汽車行業(yè)卻沒有前瞻性地進行研發(fā)和應(yīng)用，導(dǎo)致遠遠落后于國外汽車用料水平，生產(chǎn)和應(yīng)用的不對稱同時制約著兩個行業(yè)的發(fā)展。如今碳纖維復(fù)合材料也面臨同樣的處境。對此，要了解這樣一個事實：碳纖維復(fù)合材料如今已呈現(xiàn)供不應(yīng)求之勢，其絕對優(yōu)越性迫使生產(chǎn)廠家不得不從長遠角度加以考慮。為此，必須加快進軍這一領(lǐng)域，制定相應(yīng)的材料研發(fā)規(guī)劃，著手碳纖維材料在電動汽車上的應(yīng)用開發(fā)，以推動純電動汽車的市場化。

　　電動汽車，尤其是純電動汽車，對整車輕量化的迫切性比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車更強烈。整車輕量化可以車身輕量化為突破口。迄今為止的研究表明，碳纖維復(fù)合材料是最理想的車身輕量化材料。將碳纖維車身用在純電動汽車上，可以在一定程度上抵消目前動力蓄電池比能量不夠的問題?，F(xiàn)在的問題是如何來實現(xiàn)這一技術(shù)方案。我們認為，電動汽車制造企業(yè)應(yīng)與碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)企業(yè)組成統(tǒng)一的產(chǎn)品創(chuàng)新聯(lián)盟，共同承擔(dān)技術(shù)研發(fā)成本與市場風(fēng)險，形成利益共同體。我們有充分的理由相信，隨著碳纖維復(fù)合材料工藝及應(yīng)用的日趨成熟，生產(chǎn)成本會隨之降低。屆時，碳纖維復(fù)合材料的攤牌效應(yīng)便會顯而易見，電動汽車的輕量化時代便不再遙遠。

　　4、結(jié)語

　　21世紀以來，汽車用材料不斷向輕量化、復(fù)合材料化發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料不僅可以實現(xiàn)車身的輕量化，提高資源利用率，而且可以極大地改善純電動汽車由于電池瓶頸造成的在實用化道路上步履維艱的現(xiàn)狀，加快純電動汽車走向?qū)嵱没牟椒?。碳纖維車身在純電動汽車上的應(yīng)用，也將有力地促進碳纖維復(fù)合材料制造和應(yīng)用技術(shù)的不斷完善，為電動汽車的發(fā)展鋪就更廣闊的道路。